基于环形光纤激光谐振腔的光电倍频新方法(PFM)及其低相位噪声信号生成研究

针对高频信号生成中相位噪声高、倍频因子受限等问题，浙江大学团队提出光电倍频方法(PFM)，通过环形光纤激光谐振腔结合光学外差原理，实现了低相位噪声、高倍频因子(可达l倍)且频率连续可调的谐波信号生成。实验验证了该方法的可行性，为无线通信、雷达等领域提供了创新性技术方案。

　　

在无线通信、雷达和光谱传感等领域，高频信号的生成技术一直是核心挑战。传统电子学方法难以兼顾高频率与低相位噪声，而现有光学倍频技术又面临倍频因子受限、系统复杂度高等问题。针对这些瓶颈，浙江大学的研究团队在《Optical Fiber Technology》发表论文，提出了一种基于环形光纤激光谐振腔的光电倍频新方法(PFM)，通过创新的谐振腔设计与多重相位调制机制，实现了高性能倍频信号的生成。

研究团队采用环形掺铒光纤激光器(EDF)作为核心，结合相位调制器(PM)和光纤布拉格光栅(FBG)构建谐振腔。关键技术包括：(1)利用943.82nm激光二极管(LD)泵浦产生1550nm载波激光；(2)通过波长分束器(WDM)实现双波长耦合；(3)采用光电探测器(PD)完成光信号-电信号转换。实验使用10米长掺铒光纤，通过调节调制信号频率验证不同倍频因子(l)下的输出特性。

Principle
研究阐明了PFM的核心原理：环形谐振腔中，激光经历多次循环和相位调制，形成稳定相位差的谐波分量。通过光学外差原理，这些分量经PD转换后产生电信号，其频率为调制信号的整数倍(l倍)。理论模型表明，谐波功率与调制深度(M)和光电转换效率(k_P
)密切相关。

Experiment
实验结果显示：(1)当调制频率为1GHz时，成功生成高达12倍频(12GHz)的信号；(2)倍频因子l增加时，谐波功率呈递减趋势但保持稳定；(3)相位噪声随l增大而降低，在12GHz时达到-98dBc/Hz@10kHz。这些数据验证了PFM在宽频带范围内的有效性。

Comparison of theory and experiment
理论模型与实验数据的对比揭示了三个关键规律：(1)谐波功率与1/l²
成正比的衰减关系；(2)相位噪声改善源于谐振腔的噪声抑制效应；(3)功率波动与腔长调制的非线性效应相关。尽管M和k_P
的具体值未知，但趋势匹配证明了机制的合理性。

Conclusion
该研究创新性地将环形光纤激光谐振腔与相位调制技术结合，突破了传统倍频技术的限制。PFM方法兼具低相位噪声(-98dBc/Hz级)、高倍频因子(>12倍)和频率连续可调三大优势，为5G/6G通信、太赫兹成像等应用提供了新思路。研究获得中国国家重点研发计划(2023YFF0615502)支持，相关技术已申请专利。

值得注意的是，作者团队(Xinyue Zhu、Ying Lin等)在CRediT贡献声明中明确了分工：Zhu负责实验与数据分析，Lin参与方法设计，Wei Ye作为通讯作者主导项目规划。这种多学科协作模式为光电融合技术的创新发展提供了范本。